Slimme aandrijvingen verminderen verliezen

Gates heeft diverse verbruiksreducerende oplossingen

Van de energie die bij het verbranden van een liter benzine of diesel in een automotor vrijkomt, gaat een groot deel verloren dat in de vorm van warmte via koelsysteem, motorolie en uitlaatsysteem wordt afgevoerd. Helaas betekent dit niet dat het overige deel volledig ten dienste van de voortstuwing van het voertuig ten dienste staat. Een automotor werkt immers niet (lang) zonder aandrijving van de nokkenas(sen), een oliepomp, een waterpomp, een dynamo en een ventilator voor het koelsysteem en omdat we verwend zijn moet de motor ook nog een airco- en een stuurbekrachtigingspomp aandrijven. Al die zaken vergen energie en die moet door de motor worden opgebracht.

Nu is het zo dat de opbrengst van een oliepomp en een dynamo voldoende moeten zijn om de oliedruk in de motor te waarborgen en om voldoende energie op te wekken voor het ontstekingsysteem en alle elektrische accessoires in de auto, wanneer de motor met stationair toerental draait. Omdat beide aggregaten direct door de motor worden aangedreven is het toerental ervan evenredig met dat van de motor. Dit betekent automatisch dat je bij hogere motortoerentallen de oliepomp en dynamo harder laat werken dan nodig is en dus kostbare energie in de vorm van wrijvingsweerstand aan de krukas verliest.

Overdrukklep

In het geval van de oliepomp loopt normaliter de oliedruk min of meer lineair op met het toerental, totdat het overdrukklepje (‘oil pressure relief valve’) bij het oliefilter open gaat en de druk constant houdt. De meest kritische situatie is het stationair draaien met hete motor, waarbij de behoefte aan smering (zeker als er ook nog één of twee turbo’s in de oliekringloop zijn opgenomen) het grootst is en de opbrengst van de oliepomp het kleinst. Bij hogere toerentallen levert de oliepomp teveel olie en wordt via de overdrukklep het teveel afgevoerd naar het carter of naar de aanzuigleiding van de pomp. Er wordt dan tot vijftig tot zestig procent van de circulerende olie ‘afgeblazen’ en opnieuw rondgepompt, wat veel energie kost; bovendien wordt de olie onnodig heet en kan er schuimvorming optreden.

In de meest eenvoudige vorm bestaat een variabele oliepomp uit een kamer (geel) waarvan het volume kan worden gevarieerd middels de oliedruk die tegen de spanning van een veer onderin werkt. De kamer wordt afgesloten door schotten van variabele lengte die meedraaien met het wiel dat door de krukas wordt aangedreven.

Sinds januari 2008 maakt Gates in Europa variabele oliepompen, die ofwel volledig passief werken (en dus zonder verdere wijzigingen in een motorontwerp kunnen worden opgenomen) ofwel door middel van een elektromagnetische regelklep door het motormanagement worden aangestuurd. De ‘eenvoudige’ versie van de variabele oliepomp bestaat uit een excentrisch wiel met binnenvertanding en schotten aan de buitenzijde. Deze loopt in een ronde behuizing die door middel van een veer al naar gelang de opgebouwde oliedruk wordt versteld en daarmee het volume dat de oliepomp ‘ziet’ vergroot of verkleind. Hiermee is een reductie van het brandstofverbruik van ongeveer één procent realiseerbaar. 

Een meer geavanceerde, ‘actieve’ versie werkt met een elektromagnetisch ventiel dat in plaats van de veer komt en door het motormanagement via pulsbreedtemodulatie wordt aangestuurd. Hiermee kunnen oliedruk en -volume nog beter op de actuele behoefte van de motor worden afgestemd, hetgeen resulteert in een reductiepotentieel van twee tot drie procent. Een andere oplossing is een oliepomp met twee kamers waartussen wordt geschakeld met een klep, waardoor je twee ‘trappen’ krijgt: een ‘lage’ die bij lage motortoerentallen 1,5-2,0 bar oliedruk geeft, en een ‘hoge’ met 3,5 tot 4,0 bar. Met zo’n pomp kan volgens Gates een verbruiksreductie tot 2,5 procent worden bereikt.

Bij het EMD start-stopsysteem zoals dat onder andere door PSA en Daimler wordt toegepast, is de startmotor vervangen door een starter/generator en wordt aandrijfkracht naar de motor overgebracht door de micro V-riem of geribde riem.

Wat voor de aandrijving van de oliepomp geldt, doet ook opgeld voor de dynamo, waterpomp en andere accessoires die met de micro-V-riem aan de voorzijde van de motor vanaf de krukas worden aangedreven. Bij stationair toerental is de vermogensopbrengst van deze aggregaten het meest kritisch; bij hogere motortoerentallen zou het best een beetje minder mogen. Gates heeft hier al enige tijd een ‘pasklare’ oplossing voor op de plank liggen in de vorm van E3 – een aandrijfsysteem die zoals gebruikelijk met een micro-V-riem werkt, maar bovendien een secundaire riemaandrijving heeft die met een elektromagnetische koppeling aan de ene kant en een ‘passieve’ koppeling aan de andere kant aan het hoofdsysteem wordt verbonden dan wel losgekoppeld. Het resultaat is een riemaandrijving met twee ‘versnellingen’ – een hoge voor wanneer de motor stationair draait en een lage voor alle andere bedrijfsomstandigheden. De mogelijke verbruiksreductie ligt rond de vijf procent, maar toch staat het systeem op het ogenblik bij Gates in de ijskast. De reden: autofabrikanten vinden het met een meerprijs van vijftig tot honderd euro vooralsnog te duur, aldus Gates.

Mild hybrid

Het E3-systeem kan worden gecombineerd met een EMD (Electro Mechanical Drive) start/stopsysteem, waarmee een totale verbruiksreductie van 8 tot 10 procent (afhankelijk van de rijomstandigheden) kan worden bereikt. Dat start/stopsysteem – dat samen met Valeo is ontwikkeld – is trouwens wél in serieproductie en wordt door PSA (Peugeot-Citroën) en Daimler (Mercedes-Smart) in verschillende modellen gebruikt.

In tegenstelling tot het start-stopsysteem van Bosch dat we terugvinden bij BMW/Mini en sinds kort ook Kia, kent het systeem van Valeo en Gates geen startmotor meer. In plaats daarvan is de dynamo opgewaardeerd tot starter/generator en daaruit volgt dat de aandrijfriem niet alleen aandrijfkrachten van de krukas naar de dynamo overbrengt, maar ook in de omgekeerde richting. Wanneer een dynamo door de motor wordt aangedreven, moet de riem een draaimoment van maximaal 15 Nm overbrengen; wanneer de motor door de starter/generator wordt gestart kan dit echter oplopen tot 70 Nm.

Door de starter/generator te vervangen door een sterker exemplaar kan het start/stopsysteem eenvoudig worden uitgebreid tot een hybridesysteem waarbij de elektromotor/generator aanvullend wordt gebruikt om extra aandrijfkracht te genereren. Volgens Michael Neu van Gates’ ontwikkelingsafdeling kan de riem-aandrijving een elektromotor met een vermogen van 8 kW aan, wat voldoende is om bij een auto tot een gewicht van circa 1100 tot 1200 kilogram een merkbare boost te geven bij het accelereren, bijvoorbeeld in combinatie met een kleine benzine- of dieselmotor met turbo. Bij zo’n downsizing concept is het namelijk op zich vrij gemakkelijk om het maximumvermogen en draaimoment van een grotere motor te evenaren, maar omdat zo’n klein motortje van nature onderin het toerenbereik weinig in te brengen heeft en de uitlaatgasstroom dan nog onvoldoende is om de turbo snel op gang te brengen, is elektrische assistentie vooral bij het accelereren vanuit lage toerentallen een heel welkome aanvulling. Zeker wanneer de energie die ermee gemoeid is, kan worden opgewekt door regeneratie tijdens het afremmen. Voor een grotere en zwaardere auto is zo’n mild hybrid op basis van het start/stopsysteem geen optie, zegt Neu. “Bij een grote auto is die 8 kW niet of nauwelijks voelbaar.”

Distributieriem

Een andere plaats waar aandrijfverliezen optreden is de aandrijving van de nokkenas(sen). Traditioneel gebeurt dit met tandwielen of een ketting, maar midden/eind jaren zestig werden de eerste distributieriemen ontwikkeld en geleverd door Uniroyal aan de Beierse autofabrikant Glas (indertijd vooral bekend vanwege de Goggomobil, en na een kortstondige poging om door te stoten in het segment van middenklasse en grotere auto’s onder de eigen naam overgenomen door BMW). De divisie aandrijftechniek van Uniroyal werd midden jaren tachtig overgenomen door Gates. Gates ontwikkelt en levert de distributieriem-aandrijvingen inclusief spanrollen en meelooprollen voor een groot aantal automodellen van zo’n beetje alle grote fabrikanten. Na een periode waarin verreweg de meeste moderne automotoren met bovenliggende nokkenassen voorzien waren van een distributieriem volgde een gedeeltelijke terugkeer naar de minder stille maar duurzame en vooral in de perceptie van de automobilist betrouwbaardere ketting. Die trend is inmiddels weer overgewaaid, zegt Gates-manager Matt Schwarz. “Een heel grote autoconstructeur kiest voor een in ontwikkeling zijnde nieuwe generatie van kleinere motoren weer voor een distributieriem in plaats van de distributieketting van de huidige generatie”, vertelt hij.

Eén van de overwegingen daarbij is dat de frictieverliezen bij het gebruik van een moderne riemaandrijving lager liggen dan die van een ketting. Uit een studie van een onafhankelijk ingenieursbureau in samenwerking met de universiteit van Aachen blijkt dat bij een moderne 1,6 liter viercilinder lijnmotor met directe brandstofinspuiting en 85 kW/115 pk, het vervangen van de standaard gemonteerde enkelvoudige distributieketting van 8 mm breedte en kunststof kettingspanner/geleiders door een hoogwaardige, getande riem bestaande uit een HNBR rubbercompound versterkt met glasvezelkoord en een buitenlaag van polyamide een brandstofbesparing bereikt kan worden van rond de één procent. Gemeten aan een klepstoter, nemen de frictieverliezen bij oplopend motortoerental vanaf stationair eerst af en vanaf 3500 toeren weer sterk op, wanneer een distributieketting wordt gebruikt voor de aandrijving van de nokkenas. Bij een riemaandrijving blijven de frictieverliezen dalen tot voorbij de 4000 toeren per minuut, om in de buurt van het maximumtoerental weer heel voorzichtig op te lopen. Bij het maximum toerental is het verschil tussen de aandrijving met een distributieketting en met een distributieriem het grootst. Ook geeft de distributieriem over vrijwel het gehele toerenbereik minder trillingen door dan de kettingaandrijving.

Moderne riem is high-tech product · Gates produceert Micro-V en distributieriemen, spanrollen, meelooprollen sinds kort oliepompen; voor zowel eerste montage als de aftermarket. De huidige generatie micro-V-riemen is een high-tech product, waarbij zowel de levensduur als het geluidscomfort en de wrijvingsverliezen continu worden geoptimaliseerd. Hetzelfde geldt voor distributieriemen. De meest recente ontwikkeling wordt gevormd door de EcoBelt GD399 en GD 450, die een motorleven (300.000+ kilometer) meegaan, bestand zijn tegen zware bedrijfsomstandigheden zoals temperaturen tot 150 graden Celsius, en tegelijkertijd 20% smaller zijn dan de riemen die voorheen werden gebruikt, wat weer leidt tot ‘kortere’ motoren. Bovendien is zo’n riem stiller dan een distributieketting, en kan hij door verminderde wrijvingsverliezen bijdragen tot een 2% lager brandstofverbruik. De EcoBelt bestaat uit glasversterkte koord die door een speciale HNBR rubbercompound loopt. De buitenmantel is voorzien van een ‘smerende’ coating en optioneel wordt een versterking van textiel op de rug toegepast om de effecten van een verkeerde uitlijning te verminderen. Er is ook een ‘ EcoSprocket’ – een tandwiel voor riemsystemen dat tegelijkertijd een ‘tegengewicht’ vormt voor dynamische krachten die in een riemsysteem ontstaan door de nokkenas van een diesel- of benzinemotor, of de injectiepomp bij diesels, en daarmee ongewenste trillingen door onbalans in het systeem vermindert.